CN102701209B - 多晶硅还原炉 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种多晶硅还原炉，包括炉体和底盘，所述底盘上具有多对均匀分布的电极，所述电极的排布呈蜂窝状，具体为：所述底盘中心具有六个电极，所述六个电极以所述底盘的中心为中心点呈正六边形排布，所述六个电极分别位于所述正六边形的六个顶点处；以所述正六边形为中心，其它电极向外排布，并且，最外层电极的连线近似为以所述底盘的中心为圆心的圆。本发明实施例提供的多晶硅还原炉，提高了多晶硅产品的质量，并且，通过扩展电极的对数，在保证产品质量的同时，还能够降低生产单位质量的多晶硅产品的能量消耗。

Description

多晶硅还原炉

技术领域

本发明涉及多晶硅的生产设备，更具体地说，涉及一种多晶硅还原炉。

背景技术

随着科技的发展，太阳能光伏产业和半导体工业的发展也越来越迅猛，因此对于太阳能光伏产业和半导体工业生产用的主要原料多晶硅的需求也越来越大。

目前，业界生产多晶硅的方法有多种，其中比较常见的是氢还原法，也称西门子法，其原理是，将高纯的氢气和高纯度的硅的反应物作为原料，按一定比例通入到反应容器内(即多晶硅还原炉)，在高温高压的环境下，氢气还原硅的反应物，从而形成多晶硅，形成的多晶硅会沉积在硅芯上。随着化学反应的继续，沉积在硅芯上的多晶硅越来越多，逐渐将硅芯全部覆盖，变成一根外部包裹着多晶硅的棒状体，俗称硅棒。随着还原炉内化学反应的继续进行，硅棒的半径越来越大，直到达到预定的尺寸，即停止还原炉内的化学反应。

多晶硅还原炉一般包括底盘和设置于底盘上的炉体，底盘上设置有多对电极，每对电极间具有一根硅芯。采用西门子法生产多晶硅时，需要将还原炉内的温度维持在1100℃左右的高温，这样在多晶硅的生产过程中，通过还原炉的炉壁就会散发出大量的热量，而且在开停炉的过程中也会损失大量能量，为了解决能量损耗严重的问题，现有技术中采用了增加还原炉内的电极对数的方法，如图1所示，为现有技术中还原炉底盘的俯视图，图中各标号分别表示，1、底盘；2、混合气进料喷气口，以下简称进气口；3、混合气尾气出气导管口，以下简称排气口；4、电极。

从图1中可以看出，现有技术中采用了在还原炉底盘1上设置36对电极4的方式，来提高单台还原炉的多晶硅产量，从而降低每公斤多晶硅的单位能耗。但是，现有技术中的还原炉底盘上的电极是以同心圆结构布置的，仅是传统12对电极还原炉的简单放大，而且，在实际生产过程中发现，采用如图1所示的还原炉生产出的多晶硅棒常常出现酥松的现象，多晶硅棒的表面产生严重的“爆米花现象”，甚至出现倒棒等影响正常生产的情况。

基于以上原因，亟需一种新的多晶硅还原炉，以解决多晶硅生产过程中的高能耗、低质量的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种多晶硅还原炉，解决了现有技术中的问题，提高了多晶硅产品的质量，并且，通过扩展电极的对数，在保证产品质量的同时，还能够降低生产单位质量的多晶硅产品的能量消耗。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种多晶硅还原炉，包括炉体和底盘，所述底盘上具有多对均匀分布的电极，所述电极的排布呈蜂窝状，具体为：

所述底盘中心具有六个电极，所述六个电极以所述底盘的中心为中心点呈正六边形排布，所述六个电极分别位于所述正六边形的六个顶点处；

以所述正六边形为中心，其它电极依次向外排布，并且，最外层电极的连线近似为以所述底盘的中心为圆心的圆。

优选的，所述底盘上还包括：

位于正六边形中心位置处的进气口；

位于所述底盘中心位置处的排气口和/或位于所述最外层电极连线处且均匀排布的多个排气口。

优选的，每两个电极间的最小距离为130mm-260mm。

优选的，每两个电极间设置一个硅芯，最外层硅芯的中心与所述多晶硅还原炉的内筒壁间的距离为100mm-300mm。

优选的，以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为6个夹角为60°的扇形区，每个扇形区内的硅芯布置方式关于底盘中心对称，并且，位于所述底盘中心处的六个电极分别与外层的电极相连，以在所述底盘中心处设置六个硅芯。

优选的，所述底盘上设置的电极对数为6对、18对、36对、60对、90对。

优选的，以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为3个夹角为120°的扇形区，每个扇形区的硅芯布置方式关于底盘中心对称。

优选的，所述底盘上设置的电极对数为3对、42对、48对、54对、63对、84对。

优选的，所述电极的正负两极在所述底盘上交替间隔设计。

优选的，所述底盘采用水冷却式结构，其上设置冷却水进口和冷却水出口。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例提供的多晶硅还原炉，由于其底盘上电极的排布呈蜂窝状，从而使得任意两个电极间的距离均是相等的，每个硅芯周边的气体分布就较均匀，从而提高了多晶硅产品的质量。并且，由于电极特殊的排布方式，每一层电极的外围均可采用同样的排布方式，继续增加相应数量的电极对数，进而增加每一炉的多晶硅产量，但是一炉多晶硅的生产周期并未延长，从而，在保证产品质量的同时，降低了生产单位质量的多晶硅产品的能量消耗，也缩短了生产单位质量多晶硅产品的时间。

另外，由于进气口位于正六边形的中心处，混合气体喷出过程中不会受到硅芯的阻挡，从而可以避免上升的气柱在底部的扩散，由于进气口的分布也是均匀的，因此还原炉的顶部不会存在气体流动的死区，确保了硅棒的均匀生长，而且由于每个硅芯周边都设置有足够的进气口，从而可使反应气体与硅棒充分接触，从而提高硅的一次性转化率。并且，由于排气口均匀分布在电极的最外圈和/或底盘的中心位置，从而在加快气体流动速率，以提高多晶硅沉积速率的同时，又不会影响混合气体的扩散，从而不会缩短混合气体在还原炉内的停留时间，从而进一步的提高了硅的一次性转化率。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有技术中的多晶硅还原炉底盘的俯视图；

图2为本发明实施例公开的多晶硅还原炉底盘的俯视图；

图3为本发明另一实施例公开的多晶硅还原炉的主视图；

图4-图6为本发明另一实施例公开的多晶硅还原炉的硅芯排布方式示意图；

图7-图12为本发明其它实施例公开的多晶硅还原炉的硅芯排布方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，现有技术中的多晶硅还原炉能耗大，并且生产出的多晶硅棒质量较差，发明人研究发现，出现这种情况的原因是，现有技术中的36棒的还原炉底盘采用的同心圆结构布置电极，使得各个电极间的距离并不是完全相等的，从而导致每个硅芯周边的气体分布不均匀，并且，由于各个电极与进气口以及排气口间的距离也是各不相同的，同时结合进气口与排气口的排布方式，还导致还原炉内的热场和气体的流场很难均匀分布，从而影响多晶硅的沉积，进而使得生产出的多晶硅棒质量较差。

基于上述原因，发明人考虑，如果改变电极的排布方式，使每个电极周边的气体环境相同，还可同时结合适当的进气口和排气口的排布方式，使还原炉的内的反应气体分布更加均匀，由此生产出的多晶硅棒的质量便能够得到提高。

结合上述思想，本发明实施例公开了一种多晶硅还原炉，下面采用多个实施例分别对该多晶硅还原炉的结构进行详细描述。

实施例一

本实施例公开的多晶硅还原炉包括炉体和底盘，所述底盘的结构图如图2所示，该底盘11上具有多对均匀分布的电极12，其中，所述电极12的排布呈蜂窝状，具体为：

所述底盘11中心具有六个电极，所述六个电极12以所述底盘11的中心为中心点呈正六边形排布，所述六个电极12分别位于所述正六边形的六个顶点处；

以所述正六边形为中心，其它电极依次向外排布，并且，最外层电极12的连线近似为以所述底盘的中心为圆心的圆。

换句话说，也就是先以底盘中心为中心点做一个正六边形，正六边形的每个顶点处设置一个电极12，再以该正六边形的每一条边为边，向外继续做正六边形，以此为规律，向外延伸多层正六边形，达到所需层数后，去除最外层正六边形的外顶点，即最外层的每个正六边形被去除了1个或2个最外边的顶点，使最外层的正六边形剩余的各个顶点的连线近似呈圆形，该圆形的圆心为底盘11的中心，在每个正六边形的顶点处均设置一个电极12，即布置完成了底盘上的多对电极12，布置完成后的电极排布呈蜂窝状。图2中仅以36对电极为例说明了本实施例中的电极排布方式。

需要强调的是，本实施例中的最外层电极的连线只是近似呈圆形，而非精确的圆形，随着最外层电极数量的增多，底盘半径的增大，最外层电极的连线会越来越接近圆形，并且，在不影响硅棒质量的前提下，可以适当增加或减少几个最外层电极的数量，也就是说，电极排布的层数、最外层电极的数量及其连线的具体形状并不能用来限制本发明实施例的保护范围。

另外，参见图2，所述底盘上还包括进气口15和排气口13，本实施例中的进气口15位于正六边形的中心位置处，也就是说，可以在每个正六边形的中心位置处设置一个进气口，从而使每个硅芯周边的气体环境是一样的，有利于硅棒的生长；并且，结合实际生产过程发现，并非是每个正六边形的中心位置处都必须设置一个进气口，才能提高硅棒的质量，还可以减少进气口的数量，只要保证每个进气口必须设置在正六边形的中心位置即可，也就是说，相应减少进气口的数量，对硅棒的生长影响很小，因此，具体如何选择进气口的数量和排布可以根据实际生产情况而定。

本实施例中的排气口可以为一个也可以为多个，当只有一个排气口时，该排气口位于所述底盘11的中心位置处，以便使还原炉内的气体环境稳定且分布均匀；当有多个排气口时，可以有两种情况，一是，所述多个排气口均设置于底盘最外层电极连线处，并且均匀排布，即所述多个排气口均匀设置于以底盘中心为圆心的圆30上，排气口的位置不能与最外层电极的位置重合，二是，除设置于最外层电极连线处且均匀排布的最外层的排气口外，还可在所述底盘11的中心位置处设置一个排气口。上述三者排气口的排布方式，均有利于还原炉内的气体环境稳定，可使炉内的反应气体分布更加均匀，有利于高质量硅棒的形成。

综上所述，按照上述电极排布，使得任意两个电极间的距离均是相等的，每个硅芯周边的气体分布就较均匀，从而提高了多晶硅产品的质量。并且，由于电极呈蜂窝状的排布方式，每一层电极的外围均可采用同样的排布方式，继续增加相应数量的电极对数，进而增加每一炉的多晶硅产量，但是一炉多晶硅的生产周期并未延长，从而，在保证产品质量的同时，降低了生产单位质量的多晶硅产品的能量消耗，也缩短了生产单位质量多晶硅产品的时间。

并且，由于进气口位于正六边形的中心处，混合气体喷出过程中不会受到电极的阻挡，从而可以避免上升的气柱在底部的扩散，由于进气口的分布也是均匀的，因此还原炉的顶部不会存在气体流动的死区，确保了硅棒的均匀生长，而且由于每个硅芯周边都设置有足够的进气口，从而可使反应气体与硅棒充分接触，从而提高硅的一次性转化率。并且，由于排气口均匀分布在电极的最外圈和/或底盘的中心位置，从而在加快气体流动速率，以提高多晶硅沉积速率的同时，又不会影响混合气体的扩散，从而不会缩短混合气体在还原炉内的停留时间，从而进一步的提高了硅的一次性转化率。

实施例二

本实施例公开的多晶硅还原炉的主视图如图3所示，该还原炉底盘的俯视图仍如图2所示，该还原炉的硅芯排布方式如图4所示，本实施例与上一实施例不同的是，本实施例中结合还原炉的整体结构，对该还原炉各部分的具体尺寸、硅芯排布等方面进行详细描述，本实施例中仍以底盘上具有36对电极的还原炉为例进行说明。

参见图2-图4，该多晶硅还原炉包括底盘11和炉体21，其中炉体21优选采用含夹套冷却水的钟罩式双层炉体，底盘11上如图2所示设置有36对电极12，电极的排布呈蜂窝状，电极12的正负两极在底盘11上交替间隔设置，每正负两个电极间设置一个硅芯22，底盘上还设置有混合气进气管16和混合气尾气出气导管14，混合气进气口15与混合气进气管16相连，混合气尾气出气导管14可采用含夹套冷却水的双层导管，其出口为排气口13，其中进气口15和排气口13的分布方式如图2所示。

为了保证反应的顺利进行，在炉体21和底盘11上均采用水冷却的方式来控制设备的温度。其中，底盘11上设置有冷却水进水口17和冷却水出水口18，炉体21的炉壁上也设置有炉体冷却水进水口19和炉体冷却水出水口20，并在炉壁内设置有呈螺旋状布置的夹套冷却水导流板23，通过水循环来控制炉体的温度，并且炉体21上还可设置试镜孔24，以观察炉体内化学沉积反应的进行情况。

参见图2和图4，需要说明的是，本实施例中为了避免内筒壁25与最外层硅芯距离过近而导致的还原炉内热量的散失，因此，本实施例中最外层硅芯的中心与所述多晶硅还原炉的内筒壁间的距离在100mm～300mm范围内。并且，为了保证硅棒的质量和生产效率，该还原炉底盘上每两个电极间的最小距离，即正六边形的边长d在130mm-260mm范围内，如此设计出的具有36对电极的还原炉内筒半径介于2000mm-3200mm之间。以上所述内筒壁即为图3中的炉体21的内壁。

另外，本实施例中的硅芯排布如图4所示，具体的，以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为6个夹角为60°的扇形区，每个扇形区内的硅芯布置方式关于底盘中心对称，并且，位于所述底盘中心处的六个电极分别与外层的电极相连，以在所述底盘中心处设置六个硅芯。

并且，如果在每个正六边形的中心处都设置一个进气口，则图2中所示的底盘上即设置有31个进气口，如果在底盘中心和最外层电极连续处均设置排气口，则图2中所示的底盘上即设置有19个排气口，当然，进气口和排气口的设置方式和数量可随实际情况而定，这里不再详细描述。

本领域技术人员可以理解，本实施例中的电极数量可以根据还原炉规模的大小，逐层增加或减少，硅芯的数量也会随之增加或减少，内筒的半径也会逐渐变大或缩小，其中，采用图4所示硅芯的排布方式的多晶硅还原炉中，其底盘上设置的电极对数可以为6对、18对、36对、60对、90对等以上述方式排布的任意对数，其中，具有60对电极的还原炉的硅芯排布方式如图5所示，其内筒的半径介于2200mm-3500mm之间，具有90对电极的还原炉的硅芯排布方式如图6所示，其内筒的半径介于2500mm-3800mm之间。相应的，如果每一个正六边形中心均设置一个进气口，则图5中所示的还原炉底盘上即设置有56个进气口，图6中所示的还原炉底盘上即设置有73个进气口，而排气口的数量可根据实际需要进行设置，这里不再做具体限定。

实施例三

本实施例公开的多晶硅还原炉的硅芯排布方式与上一实施例不同，如图7-图12所示。本实施例中硅芯排布方式具体为，以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为3个夹角为120°的扇形区，每个扇形区的硅芯布置方式关于底盘中心对称。

其中，上述排布方式还可分为两类，一是如上一实施例所述，位于所述底盘中心处的六个电极分别与外层的电极相连，以在所述底盘中心处设置六个硅芯，其它区域的硅芯分布则根据所需硅芯数量而定，如图7和图8所示，图7中的还原炉底盘上设置有42对电极，其内筒的半径介于2000mm-3200mm之间，图8中的还原炉底盘上设置有63对电极，其内筒的半径介于2600mm-3800mm之间，相应的，如果每一个正六边形中心均设置一个进气口，则图7中所示的还原炉底盘上即设置有31个进气口，图8中所示的还原炉底盘上即设置有55个进气口。

二是位于底盘中心处的六个电极两两相连，在底盘中心处设置三个硅芯，如图9-图12所示，图9中的还原炉底盘上设置有48对电极，其内筒的半径介于2200mm-3000mm之间，图10和图11中的还原炉底盘上设置有54对电极，其内筒的半径介于2400mm-3400mm之间，图12中的还原炉底盘上设置有84对电极，其内筒的半径介于3000mm-4300mm之间，相应的，如果每一个正六边形中心均设置一个进气口，则图9中所示的还原炉底盘上即设置有37个进气口，图10和图11中所示的还原炉底盘上即设置有43个进气口，图12中所示的还原炉底盘上即设置有73个进气口，其中排气口的数量可根据实际需要进行设置，这里不再做具体限定，当然还可以只设置具有3对电极的还原炉底盘。

需要说明的是，以上两个实施例中所述的硅芯的排布方式并不能用来限定本实施例的保护范围，凡是采用本发明思想设计出的硅芯排布方式以及设置不同数量的电极，均在本发明实施例的保护范围之内。

本发明实施例公开的多晶硅还原炉，可根据实际需要设置不同电极对数以及硅芯数量，并可相应的增减进气口和排气口的数量，满足了多晶硅大规模生产和新能源发展的需要。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种多晶硅还原炉，包括炉体和底盘，所述底盘上具有多对均匀分布的电极，所述电极的排布呈蜂窝状，具体为：

所述底盘中心具有六个电极，所述六个电极以所述底盘的中心为中心点呈正六边形排布，所述六个电极分别位于所述正六边形的六个顶点处；

以所述正六边形为中心，其它电极依次向外排布，并且，最外层电极的连线近似为以所述底盘的中心为圆心的圆；

每两个电极间的最小距离为130mm-260mm；

每两个电极间设置一个硅芯，最外层硅芯的中心与所述多晶硅还原炉的内筒壁间的距离为100mm-300mm；

以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为6个夹角为60°的扇形区，每个扇形区内的硅芯布置方式关于底盘中心对称，并且，位于所述底盘中心处的六个电极分别与外层的电极相连，以在所述底盘中心处设置六个硅芯，所述底盘上设置的电极对数为6对、18对、36对、60对、90对；

或，以所述底盘的中心为圆心，设置有硅芯的区域被平均分为3个夹角为120°的扇形区，每个扇形区的硅芯布置方式关于底盘中心对称，所述底盘上设置的电极对数为3对、42对、48对、54对、63对、84对。

2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘上还包括：

位于正六边形中心位置处的进气口；

位于所述底盘中心位置处的排气口和/或位于所述最外层电极连线处且均匀排布的多个排气口。

3.根据权利要求1-2任一项所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述电极的正负两极在所述底盘上交替间隔设计。

4.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘采用水冷却式结构，其上设置冷却水进口和冷却水出口。